【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】SPI 协议与ADXL345 三轴加速度传感器

文章目录

- 前言
- 一、SPI基础概念
- 二、SPI的时序
- 三、IMX6ULL上的SPI
- - [3.1 概念及原理框图](#3.1 概念及原理框图)
  - [3.2 相关寄存器](#3.2 相关寄存器)
  - - RXDATA
    - TXDATA
    - CONREG
    - CONFIGREG
    - STATREG
- 四、ADXL345加速度传感器
- 五、SPI初始化
- 六、SPI读写函数
- 七、ADXL345与IMX6ULL通信
- 八、UART、I2C与SPI对比

前言

在【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】I2C协议详解这篇文章中详细讲解了IMX6ULL上的I2C协议，这篇文章将讲解另一个常用的通信协议SPI。两者在许多外设中，常常都能够使用，但还是有很多差异的，在这篇文章最后，会总结两者的区别。除此以外，本篇文章还会介绍ADXL345加速度传感器与IMX6ULL的SPI通信。

一、SPI基础概念

SPI ：Serial Peripheral interface(串行外设接口)

SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI 是一种高速的，全双工 ，同步的串行通信总线。SPI数据发送与I2C一样是高位先行。

标准SPI采用四线组网方式，如下图：

➢SCLK ：时钟信号线。与I2C类似的，所有设备都都需要时钟信号线进行同步，该信号由主机负责提供；

➢ MOSI ：主出从入，相当于主机的数据发送线；

➢ MISO ：主入从出，相当于主机的数据接收线；

➢ CS：片选信号，与I2C不同，SPI设备没有所谓的从机地址，连接在总线上的设备通过CS片选信号选择。在同一时刻，总线上只有一个外设被选择，CS信号线通常是低电平有效的。

二、SPI的时序

SPI的通信时序与I2C不同，I2C的时序是固定的，时钟线(SCL)上的信号为高电平期间，数据线(SDA)上的数据必须保持稳定。只有在时钟线(SCL)上的信号为低电平期间，数据线(SCL)上的高电平或低电平状态才允许变化。但SPI的时序是取决于**时钟极性(Clock Polarity 简称CPOL)和时钟相位(Clock Phase简称CPHA)**的。

➢ CPOL ：规定了时钟信号线在空闲时的状态，CPOL=0表示时钟信号线在空闲时为低电平；CPOL=1表示时钟信号线在空闲是为高电平；

➢ CPHA：与I2C不同，SPI的数据接收方并不是在时钟高或者低电平时采样的，而是在时钟信号处于沿时，至于是在上升沿还是下降沿取决于CPHA。CPHA=0表示是在时钟信号变化的第一个沿时采样，CPHA=1表示是在时钟信号变化的第二个沿时采样。

因此，我们可以得到这样的时序图：

无论哪种工作方式，SPI这种串行通信方式都是MSB先行的。

和I2C类似，大多数情况下与SPI外设的通信其实就是读写外设寄存器，这些寄存器同样也有着各自的地址。由于四线制SPI是全双工通信方式，在发送一个字节数据的同时，其实也就接收到了一个字节，因此，对于SPI来说，发送其实也就是接收 。IMX6ULL有一个发送缓冲寄存器 ，同时也有一个接收缓冲寄存器 ，发送完一个字节之后，接收缓冲寄存器也会收到一个字节。

三、IMX6ULL上的SPI

3.1 概念及原理框图

IMX6ULL 自带的 SPI 外设叫做 ECSPI，全称是 Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface，增强的SPI。ECSPI 有 6432 个接收**FIFO(RXFIFO)**和 64 32 个发送 FIFO(TXFIFO)。

IMX6ULL中一共有3个SPI。其中SPI3是引出了引脚。

IMX6ULL参考手册中的原理框图：

名称	全称	作用
TXDATA	发送FIFO	TX FIFO，64×32bit，CPU 往这里写待发送数据，写进去就进发送缓冲区
RXDATA	接收FIFO	RX FIFO，64×32bit，移位寄存器收到的数据存入这里；CPU 读这个寄存器拿收到的数据
STATREG	状态寄存器	标记 FIFO 满 / 空、传输完成、错误标志位
INTREG	中断寄存器	中断使能、中断标志控制，产生Interrupt Request
DMAREG	DMA 寄存器	DMA 相关配置，产生DMA Requests
PERIODREG	周期寄存器	硬件片选延时
TESTREG	测试寄存器	模块自测，调试用
CONREG	控制寄存器	核心配置：主 / 从模式、CPOL/CPHA、MSB/LSB、数据位宽、硬件 SS 使能

3.2 相关寄存器

在一般的SPI通信中我们主要用到RXDATA、TXDATA、CONREG、CONFIGREG、STATREG这五个寄存器：

RXDATA

TXDATA

CONREG

CONFIGREG

STATREG

四、ADXL345加速度传感器

ADXL345是一款三轴加速度传感器，主要特点如下：

➢ 测量范围：±2g、±4g、±8g、±16g设置；

➢ 分辨率：最高13位（3.9mg/LSB）；

➢ 工作电压：2.0V至3.6V；

➢ 低功耗：测量模式仅0.23mA，待机模式40μA；

➢ 核心功能：1、三轴加速度测量（X、Y、Z）；2、静态重力加速度测量； 3、动态加速度（震动、运动）测量； 4、自由落体检测； 5、单击/双击检测； 6、活动/非活动监测；

➢ 接口支持：SPI（3线和4线模式）、I2C数字接口

➢ 特色功能：1、内置32级FIFO缓冲； 2、可编程中断功能； 3、自动休眠和唤醒功能；

➢ 应用场景：1、移动设备方向检测； 2、游戏和虚拟现实控制器；3、运动检测和计步器；4、防盗系统的运动检测；5、工业振动监测；6、医疗设备姿态检测

时序图：

通过时序图可见ADXL345采用的是SPI通信模式3，即CPOL=1.CPHA=1 。

这里需要注意一个细节，ADXL345在向寄存器写入和读取时，寄存器的最高位是不一样的，读的时候最高位为1 ，写的时候最高位为0。例如写数据到0x20寄存器时，先发0x20再发要写入的数据；读取时则需要先发0xA0，之后进入读取时序。

具体操作也是根据ADXL345参考手册操作相关寄存器。

五、SPI初始化

SPI3的四条线都是GPIO复用引脚，因此，我们需要将其配置为SPI模式。然后对SPI相关寄存器配置成我们想要的模式。

c 复制代码

void spi3_channel0_init(void)
{
    //片选
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0x10B1);
    //时钟
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0x10B1);
    //MISO
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0x10B1);
    //MOSI
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0x10B1);

    //通信前，CS拉高
    gpio_init(GPIO1, 20, &(GPIO_Type_t){1, gpio_output});

    //SPI寄存器设置
    ECSPI3->CONREG = 0;
    ECSPI3->CONREG |= (7 << 20) | (0B1110 << 12) | (2 << 8) | (1 << 4) | (1 << 3) | (1 << 0);
    
    ECSPI3->CONFIGREG = 0;
    ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 20) | (1 << 4) | (1 << 0);
}

六、SPI读写函数

在完成初始化后，根据SPI读即是写，写即是读的特点，我们可以写出这样一个读写函数：

c 复制代码

unsigned char spi3_read_write(unsigned char data)
{
    while((ECSPI3->STATREG & (1 << 0)) == 0);
    ECSPI3->TXDATA = data;

    while((ECSPI3->STATREG & (1 << 3)) == 0);
    return ECSPI3->RXDATA;
}

七、ADXL345与IMX6ULL通信

根据ADXL345参考手册寄存器配置：0x31=0x0B 开启满分辨率 ，±16g，0.0039g/LSB 换算公式。原始数据拼接：低字节0x32在前，高字节0x33左移 8 位，CS 软件控制片选等，可以写出ADXL345的读函数、写函数、初始化函数、数据获取函数等。

c 复制代码

struct ADXL345_Data {
    short x;
    short y;
    short z;
    float x_g;
    float y_g;
    float z_g;
};

extern void adxl345_write(unsigned char reg_addr, unsigned char data);
extern unsigned char adxl345_read(unsigned char reg_addr);
extern void adxl345_init(void);
extern struct ADXL345_Data adxl345_read_data(void);

c 复制代码

void adxl345_write(unsigned char reg_addr, unsigned char data)
{
    // CS low
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 0);
    //主机发送寄存器地址
    spi3_read_write(reg_addr);
    //主机发送数据
    spi3_read_write(data);
    // CS high
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 1);
}

unsigned char adxl345_read(unsigned char reg_addr)
{
    unsigned char data;
    // CS low
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 0);
    //主机发送读取的寄存器地址
    spi3_read_write(reg_addr | 0x80);
    //主机接收数据
    data = spi3_read_write(0x00);
    // CS high
    gpio_set_value(GPIO1, 20, 1);
    //返回数据
    return data;
}

void adxl345_init(void)
{
    //关闭中断
    adxl345_write(0x2E, 0x08);
    //设置满分辨率和满量程
    adxl345_write(0x31, 0x0B);
    //设置低功耗模式+配置采样速率
    adxl345_write(0x2C, 0x08);
    //配置测量和唤醒模式
    adxl345_write(0x2D, 0x0B);
}

struct ADXL345_Data adxl345_read_data(void)
{
    struct ADXL345_Data data;

    //x轴数据
    data.x = adxl345_read(0x32) | adxl345_read(0x33) << 8;
    //y轴数据
    data.y = adxl345_read(0x34) | adxl345_read(0x35) << 8;
    //z轴数据
    data.z = adxl345_read(0x36) | adxl345_read(0x37) << 8;

    //获得三轴加速度
    data.x_g = data.x * 0.0039;
    data.y_g = data.y * 0.0039;
    data.z_g = data.z * 0.0039;

    return data;
}

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前言

一、SPI基础概念

二、SPI的时序

三、IMX6ULL上的SPI

3.1 概念及原理框图

3.2 相关寄存器

RXDATA

TXDATA

CONREG

CONFIGREG

STATREG

四、ADXL345加速度传感器

五、SPI初始化

六、SPI读写函数

七、ADXL345与IMX6ULL通信

八、UART、I2C与SPI对比